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結構體內存對齊（結構體大小的計算）

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摘要：結構體內存對齊規則第一個成員在與結構體變量偏移量為即起始位置的地址處。結構體同理可算出其大小為字節。總體來說結構體的內存對齊是拿空間來換取時間的做法。

結構體內存對齊規則

我們知道，每種類型都有相應的大小，如int型占4字節，double型占8字節，char型占1字節；那么結構體也為一種類型，它的大小為多少呢？
我們可以舉個栗子看一看

#includestruct S1{	char c1;	int i;	char c2;};struct Z1{	double d;	char c;	int i;};int main(){	printf("%d/n", sizeof(struct S1));	printf("%d/n", sizeof(struct Z1));	return 0;}

這里算出的struct S1、struct S2 類型的大小是多少？是不是結構體中的每個變量類型的大小之和呢？

依據程序的結果很顯然可以看出結構體類型大小并不是其中的變量類型的大小之和，那么如何計算結構體大小，首先得掌握結構體內存對齊規則。

結構體內存對齊規則：

1.第一個成員在與結構體變量偏移量為0（即起始位置）的地址處。
偏移量：把存儲單元的實際地址與其所在段的段地址之間的距離稱為段內偏移，也稱為“有效地址或偏移量”； 亦： 存儲單元的實際地址與其所在段的段地址之間的距離。本質其實就是“實際地址與其所在段的段地址之間的距離”

2. 其他成員變量要對齊到某個數字（對齊數）的整數倍的地址處。
對齊數 = 編譯器默認的一個對齊數 與 該成員大小的較小值。（VS中默認對齊數為8）

3. 結構體總大小為最大對齊數（每個成員變量都有一個對齊數，即該成員的大小）的整數倍個字節。

4.如果嵌套了結構體的情況，嵌套的結構體對齊到自己的最大對齊數的整數倍處，結構體的整體大小就是所有最大對齊數（含嵌套結構體的對齊數）的整數倍。

結構體大小計算

對于如上程序中定義的結構體 struct S1,根據結構體內存對齊規則可得結構體中成員的內存分配如圖：

解釋：S1類型中，第一個成員 c1 在起始位置（如上紅色內存塊），第二個成員 i 的大小為4字節，與默認對齊數相比后得到的較小值為4，所以成員 i 對齊到偏移量為4的整數倍的地址處（如上藍色內存塊），同理得第3個成員應對齊到偏移量為1的整數倍的地址處（如上紫色內存塊），而三個成員中最大的對齊數為4，所以 struct S1 的總大小為4的整數倍個字節，滿足成員內存分配好的情況下結構體的總大小就為12個字節。
結構體 struct Z1同理可算出其大小為16字節。

那么對于結構體中嵌套有結構體的結構體大小如何計算？
看如下栗子：

#includestruct S1{	char c1;	int i;	char c2;};struct S2{	char x;	struct S1 s;	double y;};int main(){	printf("%d/n", sizeof(struct S2));	return 0;}


因為 struct S2 中嵌套有結構體成員 s , s 的類型為struct S1（同上個栗子中的struct S1一樣）,該類型中所有成員對齊數中的最大值為4，所以 s 成員對齊到4的整數倍處；因為 struct S1 和 struct S2 中所有成員的對齊數的最大值為 8，所以在滿足 struct S2 中每個成員內存分配好的情況下，整個結構體的大小為 8 的整數倍（單位為字節），所以最終struct S2 的大小為24字節。
圖解如下：

為什么存在內存對齊？

大部分的參考資料都是如是說的：

1. 平臺原因(移植原因)：
不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數據的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數據，否則拋出硬件異常。
2. 性能原因：
數據結構(尤其是棧)應該盡可能地在自然邊界上對齊。
原因在于，為了訪問未對齊的內存，處理器需要作兩次內存訪問；而對齊的內存訪問僅需要一次訪問。
總體來說：
結構體的內存對齊是拿空間來換取時間的做法。

那在設計結構體的時候，我們既要滿足對齊，又要節省空間，如何做到：
讓占用空間小的成員盡量集中在一起。
例如：

struct M{   char c1;   int i;   char c2;};struct N{  char c1;  char c2;  int i;};int main(){	printf(" %d/n", sizeof(struct M));	printf(" %d/n", sizeof(struct N));	return 0;}


根據程序結果可見 M 和 N 類型的成員一模一樣，但是 M 和 N 所占空間的大小有了一些區別,原因就在于 N 類型中空間占用較小的成員集中在一起，更加提高了空間的利用率。

默認對齊數的修改

要修改編譯器的默認對齊數，我們需要借助于以下預處理指令：

#pragma pack()

該指令括號中填入相應的數字就可以將默認對齊數修改為該數字，如果只使用該預處理指令，不在括號內填寫數字，則為恢復為編譯器默認的對齊數。
如下：

#include#pragma pack(2)//將默認對齊數修改為2struct S1{	char c1;//大小為1字節，對齊到起始位置	double c2;//大小為8字節，默認對齊數為2，因為 2<8 所以該成員對齊到偏移量為2的倍數的位置	int i;//大小為4字節，2<4 所以該成員也對齊到偏移量為2的倍數的位置};#pragma pack()#pragma pack(6)//修改默認對齊數為6struct S2{	char c1;//對齊到起始位置	double c2;//因為 8>6,所以該成員對齊到偏移量為6的倍數的位置	int i;//因為 6>4,所以該成員對齊到偏移量為4的倍數的位置};#pragma pack()int main(){	printf(" %d/n", sizeof(struct S1));	printf(" %d/n", sizeof(struct S2));	return 0;}

可以看出，修改默認對齊數后，再根據對齊規則求出的結構體大小就會有所不同。

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